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14/02/2007

Voir le cerveau penser

© Inria / Photo Kaksonen

Mieux comprendre comment le cerveau fonctionne et pourquoi il dysfonctionne ? Comment se développent les maladies du système nerveux ? Quelles sont les origines de l’autisme ? À partir d'images médicales produites par des instruments de type IRM, des chercheurs travaillent à voir le cerveau penser. C’est le cas à Neurospin, près de Paris, où s’est construit un centre de recherche pluridisciplinaire entièrement dédié à l’exploration du cerveau. L’informatique y trouve naturellement sa place, notamment pour le traitement et la modélisation des données.

Obtenir des images de l'intérieur du corps (sans avoir à l’opérer !), grâce aux modifications induites par un champ magnétique dans les noyaux des atomes, tel est le principe schématique de l’IRM.
Les images sont ensuite reconstituées par un ordinateur en 2D ou en 3D. Cette technique est particulièrement performante pour visualiser les organes mous : moelle épinière, moelle osseuse… et le cerveau. À noter que pour voir le cerveau en pleine action, on fait appel à l’IRM fonctionnelle, qui permet d’étudier le fonctionnement d’un organe in vivo.

Explorer le cerveau par l’image

© CEA Plate-forme NeuroSpin à Saclay

Comprendre le cerveau, l’enjeu est de taille car il s’agit d’anticiper le plus tôt possible le développement des maladies du système nerveux comme la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson par exemple. L’IRM commence également à être utilisée pour l’étude des maladies psychiatriques où l’on va chercher à identifier des anomalies de structure, parfois des anomalies fonctionnelles associées à des pathologies psychiatriques comme l’autisme ou la schizophrénie. Enfin, le but est aussi de se pencher sur le cerveau normal, de cartographier ses fonctions, de matérialiser les zones des émotions, de l'apprentissage, de la mémoire, du calcul, voire de la conscience…

Pour dépasser les limites de l’imagerie actuelle, essentiellement la lenteur et l'imprécision, la plate-forme d’imagerie Neurospin a fait le pari de la puissance en s’équipant d’instruments uniques en leur genre. En effet, plus le champ magnétique est élevé, plus la sensibilité augmente et de fait la résolution spatio-temporelle devient meilleure. Ces IRM à grande puissance permettront notamment une étude plus pointue d’une pathologie comme Alzheimer.

Bénéficiant du savoir-faire du CEA  (Commissariat à l’Énergie Atomique) en matière d’aimants et de résonance à magnétique nucléaire (RMN), le plateau technique de Neurospin est d’ores et déjà équipé de deux aimants de 3 et 7 Tesla (unité de champ magnétique). L’IRM 7 T offrira une sensibilité quatre fois supérieure à celle des IRM de 1,5 T qui équipent aujourd’hui la plupart des hôpitaux.
D’ici 2011, les équipes de Neurospin prévoient la conception et la réalisation d’un aimant d’une puissance à ce jour inégalée dans le monde, 11,7 T (soit 234 000 fois le champ magnétique terrestre !) destiné aux études sur l’homme. Un aimant de 17 T destiné aux études sur l’animal verra également le jour.

© Inria On peut définir des zones fonctionnelles spécialisées impliquées dans certaines tâches, et que l'on retrouve dans une proportion significative de la population. On peut aussi essayer de comparer l'activité mesurée dans ces régions aux aptitudes et aux caractéristiques des sujets ayant effectué l'étude.

À la frontière des disciplines

Une des originalités remarquables de ce centre est de réaliser un regroupement exceptionnel de ressources et de compétences en un même bâtiment. Ce rassemblement de forces de recherche couvrira ainsi l’ensemble des questions, encourageant un dialogue permanent entre ceux qui développent et ceux qui utilisent ces IRM, entre méthodologistes, neurobiologistes et médecins.

À la frontière de ces disciplines, la présence de Bertrand Thirion, chercheur Inria et modélisateur du cerveau, illustre parfaitement le rôle important joué par l’informatique en biologie. Des grandes installations technologiques comme celle de Neurospin génère des quantités colossales de données. La modélisation est un outil précieux pour les analyser, simuler et prévoir. L'apport des informaticiens en algorithmique, visualisation et capacité de calcul est également recherché.


Notre objectif est de modéliser ces données pour en permettre l’analyse. Bertrand Thirion, responsable de l'équipe-projet Parietal

© Denis Rivière Les sillons du cortex peuvent être identifiés et reconnus automatiquement, permettant ainsi un repérage anatomique adapté à chaque sujet, et la comparaison de différentes populations, par exemple des sujets sains et des sujets malades.

"Les chercheurs qui effectuent des tests cognitifs sur des centaines de volontaires ont besoin d’outils puissants pour interpréter les IRM fonctionnelles. Il s’agit par exemple de savoir, pour un type d’activité cérébrale, quelles sont les zones activées chez tous les patients et quelles sont les disparités. Et comme chaque cerveau est unique… Notre objectif est de modéliser ces données pour en permettre l’analyse. Sans avoir suivi de formation initiale en neurologie, je me passionne pour l’exploration du cerveau" explique Bertrand Thirion.

"Répondre au mieux aux besoins informatiques et de modélisation liés aux progrès des méthodes acquisition, et parmi ses besoins nouveaux, le recalage de données anatomiques et fonctionnelles à travers les sujets, la classification des sujets en fonction de leurs données de neuroimagerie, la comparaison des données de neuroimagerie avec celles issues de la génétique, la représentation et la manipulation de données structurées, la reconstruction de fibres à partir de données de diffusion à haute résolution spatiale et angulaire, ce sont les défis qui attendent les informaticiens à Neurospin" conclut-il.

© Philippe Pinel La modélisation statistique permet d'obtenir des images de l'activité au niveau d'un groupe de sujet. On peut caractériser les différences entres les individus de plusieurs manières, afin de mieux cerner ce qui constitue cette variabilité. Il s'agit ici d'une étude menée sur 81 sujets, et les activations correspondent à une tâche de calcul.

Mots-clés : Cerveau Neurospin Saclay - Île-de-France Modélidation 3D

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